構(gòu)建遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)的探索與實(shí)踐

1、    構(gòu)建遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)的探索與實(shí)踐    摘要基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)和流媒體技術(shù)創(chuàng)建的新型遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)，為構(gòu)建終身學(xué)習(xí)型社會(huì)提供了有力支持。遠(yuǎn)程教學(xué)中信息傳送系統(tǒng)是保證教學(xué)效果、實(shí)現(xiàn)教學(xué)信息可靠傳送的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文結(jié)合自行開發(fā)的清華大學(xué)遠(yuǎn)程教學(xué)播出系統(tǒng)，對(duì)構(gòu)建高效能的現(xiàn)代遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞遠(yuǎn)程教育；遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)；播出系統(tǒng)一、遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成一般來(lái)說(shuō)，遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)為適應(yīng)學(xué)習(xí)者對(duì)學(xué)習(xí)方式多樣性的要求，都要由以下幾個(gè)子系統(tǒng)組成：用于實(shí)時(shí)教學(xué)的直播系統(tǒng)，供學(xué)生自學(xué)、輔導(dǎo)答疑、作業(yè)、考試的輔助學(xué)習(xí)系統(tǒng)，管理教學(xué)活動(dòng)的教務(wù)管理和學(xué)籍管理與資格認(rèn)

2、證系統(tǒng)，多媒體課件制作系統(tǒng)及學(xué)習(xí)終端等，這些系統(tǒng)互相配合、有機(jī)結(jié)合起來(lái)構(gòu)成一個(gè)完整的遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)。1.實(shí)時(shí)授課系統(tǒng)實(shí)時(shí)授課系統(tǒng)是遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的部分，它是用來(lái)實(shí)時(shí)傳送教學(xué)信息的主要渠道，是實(shí)現(xiàn)雙向交互式教學(xué)活動(dòng)的平臺(tái)。該系統(tǒng)的主要功能：采用現(xiàn)代通信技術(shù)將教師現(xiàn)場(chǎng)授課的聲音、圖像和電子白板等信息實(shí)時(shí)地傳送到遠(yuǎn)端教室或?qū)W生的學(xué)習(xí)界面上，通過(guò)該系統(tǒng)，遠(yuǎn)端的學(xué)生可以看到并聽到老師實(shí)時(shí)的授課內(nèi)容。在實(shí)時(shí)授課系統(tǒng)中，根據(jù)學(xué)生是否可以同教師、同學(xué)之間進(jìn)行實(shí)時(shí)交流，又分為雙向交互式實(shí)時(shí)系統(tǒng)和單向廣播式實(shí)時(shí)系統(tǒng)兩類。交互式系統(tǒng)的特點(diǎn)是交互性好，教師在教學(xué)活動(dòng)中可以看到學(xué)生的表情和動(dòng)作，聽到學(xué)生的聲音

3、，并可和學(xué)生進(jìn)行異地實(shí)時(shí)交流，教學(xué)效果比較好。實(shí)時(shí)授課系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)：一般由衛(wèi)星廣播技術(shù)和基于互聯(lián)網(wǎng)的流媒體技術(shù)、視頻會(huì)議技術(shù)、視頻聊天技術(shù)等來(lái)構(gòu)建。目前，效果比較好的方案是：利用衛(wèi)星廣播來(lái)直播老師的授課音視頻信號(hào)，以保證較好的圖像質(zhì)量；利用網(wǎng)絡(luò)視頻回傳學(xué)生的提問(wèn)等反饋信息進(jìn)行交互，用天地網(wǎng)相結(jié)合的方式來(lái)構(gòu)建實(shí)時(shí)授課系統(tǒng)。2.非實(shí)時(shí)輔助學(xué)習(xí)系統(tǒng)遠(yuǎn)程教學(xué)中，學(xué)生需要在方便的時(shí)間、自由地選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)，非實(shí)時(shí)輔助學(xué)習(xí)系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)提供了條件。非實(shí)時(shí)輔助學(xué)習(xí)系統(tǒng)包括的主要功能有：課件點(diǎn)播、學(xué)習(xí)資料瀏覽、下載，用email反饋信息和提交作業(yè)、進(jìn)行答疑，用bbs實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)討論，利用多媒體課件庫(kù)為學(xué)生

4、提供學(xué)習(xí)資源等等。非實(shí)時(shí)輔助學(xué)習(xí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)：目前幾乎都是采用基于互聯(lián)網(wǎng)的web方式提供非實(shí)時(shí)輔助學(xué)習(xí)服務(wù)，就是在互聯(lián)網(wǎng)上建立一個(gè)提供遠(yuǎn)程教學(xué)服務(wù)的網(wǎng)站，采取成熟實(shí)用的browserserverdatabase三層體系結(jié)構(gòu)(bs架構(gòu))，所有的教學(xué)資源和課件由服務(wù)提供者上載到網(wǎng)站上，用戶只需訪問(wèn)相關(guān)網(wǎng)頁(yè)即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)播課件資源、觀看實(shí)時(shí)直播節(jié)目等各種學(xué)習(xí)功能。系統(tǒng)一般由web服務(wù)器、視頻點(diǎn)播服務(wù)器、多媒體資源庫(kù)存貯器等軟硬件組成，可采用集簇服務(wù)器實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡、scsi磁盤陣列、分布式存貯等技術(shù)來(lái)提高響應(yīng)速度，為學(xué)習(xí)者提供可靠的服務(wù)。3.教學(xué)管理系統(tǒng)教學(xué)管理系統(tǒng)是體現(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)的組織與管理功能的系統(tǒng)，是遠(yuǎn)

5、程教學(xué)系統(tǒng)的重要組成部分。主要功能有：教學(xué)信息發(fā)布、課程設(shè)置、授課安排、學(xué)生繳費(fèi)注冊(cè)、學(xué)籍管理、學(xué)習(xí)資源管理、學(xué)習(xí)過(guò)程跟蹤等。4.多媒體課件制作系統(tǒng)我們通常所指的多媒體課件就是利用各種多媒體制作技術(shù)將課程內(nèi)容制作成圖文聲像并茂的多媒體信息，是可放在網(wǎng)上供學(xué)生下載或點(diǎn)播的學(xué)習(xí)資源。在遠(yuǎn)程教學(xué)中，我們又可以把多媒體課件分為兩類，一類是直接把老師授課時(shí)的音視頻和電子講稿用流媒體形式采集下來(lái)，按知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行編輯后制成授課型課件(也稱“三分屏”課件)。另一類是通過(guò)教學(xué)設(shè)計(jì)，將課程中的知識(shí)點(diǎn)有機(jī)地組織起來(lái)，并利用各種多媒體和網(wǎng)頁(yè)制作技術(shù)，編制成集文字、聲音、動(dòng)畫、圖像、視頻等全面展現(xiàn)課程內(nèi)容的課件。實(shí)踐證明

6、，這二種類型的課件在遠(yuǎn)程教學(xué)中都發(fā)揮了很好的作用，其制作都由多媒體課件制作系統(tǒng)來(lái)完成，一般需要由攝錄設(shè)備、音視頻采集、非線性編輯設(shè)備、多媒體制作與課件合成軟件、高速存貯等設(shè)備構(gòu)成。遠(yuǎn)程教育的生命在于保證令人滿意的教學(xué)效果，而實(shí)現(xiàn)良好的教學(xué)效果離不開兩個(gè)重要條件：一是要有豐富的、高質(zhì)量的學(xué)習(xí)資源，這是保證遠(yuǎn)程教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵，可由建設(shè)網(wǎng)上教學(xué)資源庫(kù)和數(shù)字圖書館等方法來(lái)解決；另一個(gè)重要的條件就是遠(yuǎn)程教學(xué)的信息傳送系統(tǒng)要為傳送各類教學(xué)信息提供強(qiáng)有力的、可靠的支持，這同樣是決定遠(yuǎn)程教學(xué)效果好壞的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)按其信息傳送途徑的不同，目前主要集中在衛(wèi)星網(wǎng)、isdn專線、電話網(wǎng)、有線電視網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)等

7、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用上，針對(duì)各個(gè)網(wǎng)均不斷有新技術(shù)出現(xiàn)，許多技術(shù)可以直接用于為遠(yuǎn)程教學(xué)服務(wù)，我們要根據(jù)具體的應(yīng)用特點(diǎn)來(lái)確定采取哪種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)構(gòu)建遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)，或以幾種網(wǎng)相結(jié)合的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)性能的最優(yōu)化。下面結(jié)合我們自行開發(fā)并正在使用的清華大學(xué)遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)，對(duì)天網(wǎng)與地網(wǎng)相結(jié)合來(lái)構(gòu)建遠(yuǎn)程教學(xué)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的形式作一簡(jiǎn)要介紹。二、清華大學(xué)遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)清華大學(xué)自1996年開始建立實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)，至今已在全國(guó)建立了150多個(gè)遠(yuǎn)程教育站，形成了地網(wǎng)(互聯(lián)網(wǎng))與天網(wǎng)(衛(wèi)星網(wǎng))相結(jié)合的現(xiàn)代遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)。教學(xué)主要通過(guò)“衛(wèi)星直播課堂”、“衛(wèi)星數(shù)據(jù)廣播”和“清華遠(yuǎn)程學(xué)堂”等進(jìn)行。清華大學(xué)遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)包括實(shí)時(shí)授課系統(tǒng)、非

8、實(shí)時(shí)的輔助教學(xué)系統(tǒng)、多媒體課件庫(kù)和教學(xué)教務(wù)管理系統(tǒng)四個(gè)主要部分。實(shí)時(shí)授課系統(tǒng)采用衛(wèi)星通信為主、isdn專線+互聯(lián)網(wǎng)為輔的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)雙向交互。非實(shí)時(shí)教學(xué)系統(tǒng)采用基于互聯(lián)網(wǎng)的工作平臺(tái)，它們與多媒體課件庫(kù)和教務(wù)管理系統(tǒng)一起構(gòu)成一個(gè)完整的遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)。1.播出系統(tǒng)的組成該播出系統(tǒng)主要由課件實(shí)時(shí)采集制作子系統(tǒng)、流媒體視頻服務(wù)器、視頻播出控制服務(wù)器、web服務(wù)器及衛(wèi)星信號(hào)傳送子系統(tǒng)組成。課件實(shí)時(shí)采集制作子系統(tǒng)：由教師機(jī)和錄制合成機(jī)組成。將教師在教室講課時(shí)的音視頻和所使用的計(jì)算機(jī)屏幕內(nèi)容分別實(shí)時(shí)采集成流格式并合成一體，實(shí)時(shí)傳送給流媒體視頻服務(wù)器或在本機(jī)保存下來(lái)形成課件。流媒體視頻服務(wù)器：存放要播出的課

9、件并接收實(shí)時(shí)播出數(shù)據(jù)流，通過(guò)windows media services來(lái)提供直播(多播方式)或供學(xué)生通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)點(diǎn)播(單播方式)服務(wù)。視頻播出控制服務(wù)器：按系統(tǒng)管理員設(shè)定的“播出課表”來(lái)調(diào)用保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中的課件并通過(guò)對(duì)windows media services編程來(lái)控制各頻道節(jié)目的播出。(實(shí)際應(yīng)用中，該服務(wù)器可與流媒體視頻服務(wù)器合為一體。)web服務(wù)器：在互聯(lián)網(wǎng)上建立學(xué)習(xí)網(wǎng)站，響應(yīng)用戶的頁(yè)面訪問(wèn)請(qǐng)求，提供網(wǎng)上學(xué)習(xí)資源、用戶注冊(cè)、身份認(rèn)證、用戶權(quán)限管理、課件管理等功能。衛(wèi)星信號(hào)傳送子系統(tǒng)：傳送所有需要下傳給學(xué)習(xí)站點(diǎn)的學(xué)習(xí)資源，包括將各類學(xué)習(xí)課件或?qū)崟r(shí)授課內(nèi)容(采用流格式)信息。將來(lái)自流媒體視頻

10、服務(wù)器的各類課件和實(shí)時(shí)授課信息數(shù)據(jù)經(jīng)信號(hào)復(fù)用器、數(shù)據(jù)打包器、數(shù)據(jù)調(diào)制器、上變頻器、信號(hào)功率放大器、衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射天線傳向通信衛(wèi)星。各地學(xué)習(xí)站點(diǎn)通過(guò)衛(wèi)星接收天線、衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收卡來(lái)實(shí)時(shí)接收這些信息。2.播出系統(tǒng)提供的播出方式遠(yuǎn)程教學(xué)播出系統(tǒng)可以通過(guò)衛(wèi)星網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)來(lái)分別傳輸節(jié)目，而這兩種網(wǎng)絡(luò)傳輸節(jié)目的方式又略有不同。(1)通過(guò)衛(wèi)星網(wǎng)(天網(wǎng))傳輸直播和錄播方式所謂直播，就是對(duì)教師授課實(shí)況采集成流格式進(jìn)行實(shí)時(shí)播出，學(xué)習(xí)者可以通過(guò)衛(wèi)星接收或互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)收看學(xué)習(xí)。所謂錄播，就是將事先錄制好的授課課件(流格式)通過(guò)衛(wèi)星進(jìn)行播送，供學(xué)習(xí)者收看。直播和錄播都是在確定的時(shí)間按課表安排單向傳送教學(xué)信息，對(duì)學(xué)習(xí)者而言，

11、這兩種方式?jīng)]有什么區(qū)別。(2)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)(地網(wǎng))傳輸直播和點(diǎn)播互聯(lián)網(wǎng)直播，就是將教師授課實(shí)況在通過(guò)衛(wèi)星網(wǎng)播出的同時(shí)，在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)播，學(xué)習(xí)者通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)登錄學(xué)習(xí)站點(diǎn)后可收看。所謂點(diǎn)播，就是將事先錄制好的課件放在視頻點(diǎn)播服務(wù)器上(點(diǎn)播服務(wù)器可以是清華的服務(wù)器，也可以是學(xué)習(xí)者本地的鏡像服務(wù)器)，供大家通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)自主點(diǎn)播學(xué)習(xí)。直播課堂播出時(shí)的信息流程：錄制端微機(jī)將直播教室實(shí)時(shí)授課的現(xiàn)場(chǎng)音視頻采集下來(lái)，經(jīng)過(guò)mpeg4編碼壓縮成流媒體格式傳送到視頻播放控制服務(wù)器，由該服務(wù)器將信號(hào)通過(guò)衛(wèi)星網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)綄W(xué)生端，為學(xué)生提供實(shí)時(shí)課堂直播學(xué)習(xí)。錄播課件播出時(shí)的信息流程：將錄制好的流格式課件存放在服務(wù)器課件

12、庫(kù)(硬盤上)，由“電子課表”控制將課件數(shù)據(jù)流發(fā)送給衛(wèi)星網(wǎng)，由衛(wèi)星網(wǎng)播放出去，學(xué)生端通過(guò)收看衛(wèi)星傳送過(guò)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行學(xué)習(xí)。播出系統(tǒng)采用微軟的流媒體服務(wù)技術(shù)(windows media services)和asf流格式實(shí)現(xiàn)直播和點(diǎn)播服務(wù)。3.播出系統(tǒng)的硬件組成衛(wèi)星播出子系統(tǒng)：主要由信號(hào)復(fù)用器、數(shù)據(jù)打包器、數(shù)據(jù)調(diào)制器、上變頻器、功率放大器、衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射天線及監(jiān)控等設(shè)備組成，采用的是dvbs標(biāo)準(zhǔn)。4.該播出系統(tǒng)的主要技術(shù)特點(diǎn)清華大學(xué)遠(yuǎn)程教學(xué)播出系統(tǒng)的主要特點(diǎn)概括如下：播出內(nèi)容都采用流媒體形式，通過(guò)視頻播放服務(wù)器將衛(wèi)星網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。也就是說(shuō)，天網(wǎng)和地網(wǎng)中傳送的課件格式都是一致的，系統(tǒng)可同時(shí)支持

13、教學(xué)課程的實(shí)時(shí)直播、課件錄播、課件點(diǎn)播等服務(wù)。系統(tǒng)管理員能有效地對(duì)用戶和學(xué)習(xí)站點(diǎn)情況進(jìn)行審查和授權(quán)管理。通過(guò)對(duì)接收站點(diǎn)的授權(quán)，衛(wèi)星播出時(shí)能對(duì)用戶接收端自動(dòng)進(jìn)行選擇限定，并能對(duì)播出內(nèi)容進(jìn)行加密處理，在一定程度上保護(hù)了播出內(nèi)容和課件的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。在課件采集方式上，不僅采集了老師授課時(shí)的音視頻流，還采集了老師所用電腦的屏幕流。學(xué)生收看時(shí)，改變了過(guò)去只有單純音視頻顯示的形式，現(xiàn)在能同時(shí)清晰地把授課老師使用的電子講稿和文稿顯示出來(lái)。能對(duì)視頻播放進(jìn)行設(shè)置和自動(dòng)控制。管理員事先把要播出的內(nèi)容按傳統(tǒng)課表的形式排好，也就是通過(guò)編排和設(shè)置視頻服務(wù)器上的“電子課表”來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻服務(wù)器的控制，到了預(yù)設(shè)的播出時(shí)間，視頻服務(wù)器會(huì)按指定的課件自動(dòng)播出，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守。增強(qiáng)了與用戶的交互功能。播出系統(tǒng)在通過(guò)衛(wèi)星網(wǎng)和專線方式與用戶進(jìn)行音視頻交互的基礎(chǔ)上，又增加了基于互聯(lián)網(wǎng)的視頻交互功能。采用了在學(xué)習(xí)者本地建立“鏡像服務(wù)器”技術(shù)，運(yùn)用分布式課件存貯方式，有效地提高了點(diǎn)播響應(yīng)速度和課件觀看質(zhì)量。最后需要指出的是：由于整個(gè)播出系統(tǒng)對(duì)傳輸?shù)墓?jié)目都采用mpeg4編碼方式的asf流格式，保證了在課件傳輸技術(shù)上實(shí)現(xiàn)天網(wǎng)與地網(wǎng)的無(wú)縫連接。在保證收看質(zhì)量的基礎(chǔ)上，節(jié)省了每套節(jié)目衛(wèi)星播出時(shí)的帶寬，而且能夠直接用來(lái)在互聯(lián)網(wǎng)上傳送，滿足了遠(yuǎn)程教學(xué)中的同步與異步學(xué)習(xí)